碳化硅 （SiC） 是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，將在許多應(yīng)用中取代硅。將 SiC 用于電動(dòng)汽車 （EV）的想法誕生于努力提高此類車輛的效率和續(xù)航里程，同時(shí)減輕整車的重量和成本，從而提高控制電子設(shè)備的功率密度的想法。

碳化硅解決方案可以有效地增強(qiáng)電動(dòng)汽車的電力電子設(shè)備，以滿足設(shè)計(jì)參數(shù)并對(duì)系統(tǒng)性能和長(zhǎng)期可靠性做出重要貢獻(xiàn)。

碳化硅 （SiC） 器件越來(lái)越多地用于對(duì)尺寸、重量和效率有嚴(yán)格要求的高壓功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榕c常用的硅 （Si） 相比，它們具有許多吸引人的特性。導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗要低得多，而且 SiC 的熱導(dǎo)率比硅高約 3 倍，從而可以更快地從組件中散熱。這很重要，因?yàn)楫?dāng) Si 基器件的面積變小時(shí)，提取電轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的熱量變得更加困難，而 SiC 能夠更好地散熱。

許多原始設(shè)備制造商已宣布對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行數(shù)十億美元的投資，由于對(duì) CO 2排放的限制，這種投資也很強(qiáng)勁。未來(lái)幾年將采取關(guān)鍵步驟，我們將看到更高比例的電動(dòng)汽車上路。

這將需要改進(jìn)諸如可負(fù)擔(dān)性、法規(guī)和技術(shù)進(jìn)步等因素。據(jù)估計(jì)，電動(dòng)汽車通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換電池能量的效率為 60%。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，這已經(jīng)是一項(xiàng)了不起的成就。

然而，提高效率是工程師優(yōu)先考慮的事項(xiàng)，因?yàn)樗苯愚D(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的續(xù)航里程和/或更小的電池，從而降低成本——這是大多數(shù)電動(dòng)汽車尚無(wú)法與傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭(zhēng)的兩個(gè)因素。

這些汽車的顯著特征之一是它們包含的高壓系統(tǒng)數(shù)量。高壓電池的電壓從 400 到 800 V 不等，許多其他電氣系統(tǒng)以不同的方式為該電池供電。這些系統(tǒng)包括車載充電器 （OBC）、用作連接 12V 輔助設(shè)備的橋的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和電池管理系統(tǒng) （BMS） 本身。

電動(dòng)汽車

EV 是全電動(dòng)汽車，需要至少三種類型的電子單元進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換： DC/DC 轉(zhuǎn)換器，通常從高壓到 12 V 為低壓電子設(shè)備供電。DC/AC 牽引逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通常是三相電動(dòng)機(jī)，為車輪供電。用于在制動(dòng)能量回收期間以及從標(biāo)準(zhǔn)住宅或大功率充電站（用于快速充電）為車輛電池充電的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器

為了從電池容量中獲得最大的自主性，整個(gè)轉(zhuǎn)換鏈必須達(dá)到可能的最大效率。實(shí)現(xiàn)功率器件（二極管和 MOSFET）所需效率的技術(shù)已經(jīng)被確定，稱為碳化硅，已經(jīng)在肖特基二極管中使用了一段時(shí)間，而最近，MOSFET 是開關(guān)元件的核心轉(zhuǎn)換器和逆變器，正在進(jìn)入量產(chǎn)階段。

牽引逆變器為電機(jī)供電，是最關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼪Q定了車輛在需要充電之前可以運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。此外，OBC 為電池充電：我們可以向電池中輸入的電量越多，充電速度就越快。

“在基于 800 V 的 EV 中，與我們一流的硅 IGBT 相比，使用我們的第一代碳化硅技術(shù)將續(xù)航里程增加了 7%，”汽車大功率創(chuàng)新與新興技術(shù)副總裁 Mark Muenzer 說(shuō)。英飛凌?！巴ㄟ^(guò)我們的下一代 CoolSiC，我們將把它提高到 10% 左右?！?盡管如此，Muenzer 預(yù)測(cè)未來(lái) SiC 和 Si 將在電動(dòng)汽車領(lǐng)域共存，因?yàn)?SiC 的成本要高得多，主要是由昂貴的原材料造成的。

“當(dāng)汽車在部分負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，碳化硅的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，”他說(shuō)?！袄纾屛覀兛紤]一輛每個(gè)車軸都有一個(gè)電動(dòng)機(jī)的汽車。一種用于平均巡航操作；另一個(gè)僅在加速期間需要峰值功率時(shí)添加。如果這是一輛峰值功率為 200 kW 的汽車，第一個(gè)逆變器的平均利用率約為 20 kW，因此很明顯在部分負(fù)載時(shí)。在這里，碳化硅可能是有意義的，因?yàn)樾侍岣咴试S使用更小的電池，因此，我可以通過(guò)降低電池成本來(lái)補(bǔ)償逆變器中更高的碳化硅成本。第二個(gè)逆變器僅在一小部分時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，并且主要是在碳化硅不那么有利的負(fù)載下。這里，

車載充電器框圖

電池和車載充電器

電池是電動(dòng)汽車的一個(gè)基本關(guān)鍵特征，確保有效的充電管理是電動(dòng)汽車正確運(yùn)行的基本要素。

電池必須具有非常高的能量存儲(chǔ)密度、接近于零的自損耗電流，以及在幾分鐘而不是幾小時(shí)內(nèi)充電的能力。BMS通常包括四個(gè)主電路組：OBC、BMS、DC/DC轉(zhuǎn)換器、主逆變器。

電池充電器電源模塊由 AC/DC 前端和 DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，用于為電池提供充電電壓。AC/DC 部分將電源從市電轉(zhuǎn)換為有用的直流電壓，避免紋波波動(dòng)。出于安全原因，DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供與車輛底盤的電氣絕緣，同時(shí)為車輛提供必要的直流充電電壓。

典型的雙向 OBC 的框圖由圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC） 級(jí)（兩個(gè)相同的并聯(lián)設(shè)備）和一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器（LLC 諧振回路）組成。在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的控制下，可以使用同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 將輸出電壓過(guò)濾為最終直流電壓。

通過(guò)將充電器 AC/DC 模塊中使用 IGBT 或 MOSFET 的硅基設(shè)計(jì)替換為 SiC 器件，電路設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，同時(shí)功率密度和效率顯著提高，從而減少了零件數(shù)量和系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。SiC 塊還可以實(shí)現(xiàn)所需的雙向性，使車輛電池成為智能電網(wǎng)的一部分。

基于 SiC 的解決方案帶來(lái)的好處很簡(jiǎn)單：更低的損耗（意味著更小的尺寸）、更高的頻率（更小的無(wú)源元件）和更高的效率（更簡(jiǎn)單和更小的冷卻）。

碳化硅在汽車中的優(yōu)勢(shì)

OBC 是汽車的集成系統(tǒng)，用于在車輛停放時(shí)通過(guò)交流電源為高壓電池充電?？焖俪潆姷内厔?shì)也影響了 OBC 拓?fù)渌璧墓β史秶虼诵略O(shè)計(jì)往往會(huì)達(dá)到 11 kW 甚至高達(dá) 22 kW。這一發(fā)展與對(duì)高效率和低系統(tǒng)成本功率密度的需求相結(jié)合，是使用三相解決方案的強(qiáng)大動(dòng)力。今天，從電源到電池的電流通常是單向的，但也有雙向使用，例如要充電的電池或電池到電源。

“OBC 是另一個(gè)很好的例子，說(shuō)明未來(lái) Si 和 SiC 將如何共存，”Muenzer 說(shuō)?！皩?duì)于 400V OBC 系統(tǒng)的 DC/DC 級(jí)，英飛凌 CoolMOS 等硅基超級(jí)結(jié) MOSFET 可以支持所需的開關(guān)頻率。在相鄰的單向 PFC 級(jí)中，碳化硅二極管和快速開關(guān) IGBT 的組合以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本提供了足夠的性能。我們最近甚至在同一封裝 （EcoPack） 中組合了快速開關(guān) IGBT 和碳化硅二極管。如果 OEM 提高效率目標(biāo)或電壓水平上升，SiC MOSFET 將成為 OBC 的首選器件。”

收購(gòu) Siltectra 后，英飛凌一直致力于將這家初創(chuàng)公司的碳化硅冷分離技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)化工藝中。Cold Split 可以有效地處理晶體材料，同時(shí)將材料損失降到最低。

關(guān)于器件概念，Muenzer 繼續(xù)說(shuō)道：“大多數(shù)功率半導(dǎo)體技術(shù)，無(wú)論是硅 MOSFET 還是 IGBT，都是從平面單元設(shè)計(jì)開始，但最終過(guò)渡到溝槽單元設(shè)計(jì)。這是因?yàn)闇喜墼O(shè)計(jì)允許您提高設(shè)備的性能和/或穩(wěn)健性。另一方面，它們需要復(fù)雜的工藝技術(shù)，但憑借在溝槽技術(shù)方面超過(guò) 25 年的經(jīng)驗(yàn)，我們決定從一開始就采用碳化硅走這條路?！?/p>

在平面技術(shù)中，電流需要改變方向并且需要空間以避免擁擠。它的關(guān)鍵是橫向的通道長(zhǎng)度。否則，在溝槽技術(shù)中，電流是直接垂直的，關(guān)鍵因素是其垂直方向的溝道長(zhǎng)度。溝槽技術(shù)提供低缺陷密度并導(dǎo)致低溝道電阻和低導(dǎo)通電阻存檔在低于 3 MV/cm 的氧化場(chǎng)。

平面與溝槽 SiC 封裝

與傳統(tǒng)的硅基器件相比，碳化硅在汽車應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢(shì)：更高的功率密度、更高的系統(tǒng)效率、范圍擴(kuò)展、更低的系統(tǒng)成本和長(zhǎng)期可靠性。碳化硅已經(jīng)存在于汽車中，但我們才剛剛開始。

電動(dòng)汽車的自主性直接反映了其動(dòng)力總成和能源管理系統(tǒng)的效率。此外，必要的基礎(chǔ)設(shè)施，例如現(xiàn)在達(dá)到數(shù)百千瓦功率的強(qiáng)大快速充電系統(tǒng)，同樣需要遵守嚴(yán)格定義的尺寸和效率限制。由于其特定的物理特性，碳化硅是對(duì)這些新市場(chǎng)需求的寶貴回應(yīng)。

審核編輯：郭婷